[논문]비대칭으로 보강된 복합재 원형 스파의 파손하중 예측

김성준; 이동건; 박상욱

doi:10.5139/jksas.2020.48.7.505

비대칭으로 보강된 복합재 원형 스파의 파손하중 예측
The Prediction of Failure Load for an Unsymmetrically Stiffened Circular Composite Spar 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.48 no.7, 2020년, pp.505 - 511

김성준 (Korea Aerospace Research Institute) , 이동건 (Korea Aerospace Research Institute) , 박상욱 (Korea Aerospace Research Institute)

초록
AI-Helper

원형 복합재 튜브를 고고도 장기체공 무인기의 주요 스파에 사용하였다. 본 논문에서는 수정된 Brazier 방법을 이용하여 비대칭으로 보강된 원형 스파의 파단하중을 예측할 수 있는 이론적인 모델을 제안하였다. 이 모델을 이용하여 비대칭으로 보강된 원형스파의 최대 허용 굽힘 모멘트를 예측하였다. 해석 결과로부터 원형 스파의 상단에 위치한 보강된 캡은 최대 허용 굽힘 모멘트를 증가시키는 것을 알 수 있다. 4점 굽힘 실험을 수행하여 스파 캡이 파손하중에 미치는 영향을 평가하였고 제안된 모델과 비교하였다. 그리고 수치해석을 수행하여 보강된 원형 스파의 거동을 분석하였다. 제안된 이론적인 모델은 실험 및 수치해석 결과와 잘 일치함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The circular composite tubes have been used as a main spar of HALE-UAV(High Altitude Long Endurance-Unmanned Air Vehicle). In this paper, an analytical model is presented for the prediction of the failure load of unsymmetrically stiffened circular spar using a modified Brazier approach. This model was used to predict the moment carrying capacity of the unsymmetrically stiffened circular spar. From the results, we can know that a stiffened cap placed in the top sector of a spar increased the bending capabilities. Four point bending tests were conducted to estimate the effect of the cap on the failure load and compared with the proposed model. And numerical simulations were performed to analyze the behavior of stiffened circular spar. Comparisons of the results from the proposed model with those from experiments and numerical modes show good correlation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 비대칭으로 보강된 원형 복합재 스파의 굽힘 강도를 실험과 해석적인 방법으로 검토하 였다. 해석은 수정된 Brazier 식과 수치해석적인 모델을 이용하였다.
본 논문에서는 비대칭으로 보강된 원형 스파의 굽힘 거동을 실험, 수치해석 및 이론 해를 이용하여 분석하였고 최대 허용 굽힘 모멘트를 예측할 수 있는 방안을 제안하였다. 4점 굽힘 실험(Four point bending test)을 수행하여 보강된 스파 캡이 최대 허용 굽힘 모멘트에 주는 영향을 검토하였다.
Kim 등[9]은 대칭으로 보강된 원통형 복합재 튜브의 최대 허용 굽힘 모멘트를 Brazier의 이론해를 수정하여 제시하였다. 이 연구에서는 보강된 부위가 좌굴강 도에 주는 영향을 검토하였다. Fig.

가설 설정

이 연구에서 포아송 비(Poisson’s ratio) 가 반경방향의 거동에 큰 영향을 준다고 평가하였다.

제안 방법

본 논문에서는 비대칭으로 보강된 원형 스파의 굽힘 거동을 실험, 수치해석 및 이론 해를 이용하여 분석하였고 최대 허용 굽힘 모멘트를 예측할 수 있는 방안을 제안하였다. 4점 굽힘 실험(Four point bending test)을 수행하여 보강된 스파 캡이 최대 허용 굽힘 모멘트에 주는 영향을 검토하였다. 실험결과로부터 비대칭으로 보강된 스파 캡의 두께가 두꺼워 질수록 최대 허용 굽힘 하중이 증가하는 것을 알 수 있었다.
이러한 종류의 좌굴거동은 Brazier[2]에 의해 연구되기 시작했다. Brazier는 원통형 튜브 구조물이 순수 굽힘 하중을 받는 경우 임계 굽힘 하중을 예측할 수 있는 이론 해를 제시하였다.
환봉의 외부에 라미나를 감아서 base spar를 만들고 난 후에 길이 방향으로 spar cap 부분을 적층하였다. 굽힘 실험은 두 가지 종류의 스파 캡에 대한 시편을 제작하여 시험을 수행하였다. Fig.
재료 수준의 파손은 Chang/Chang[10] 파손이론을 적용하였다. 본 논문에 서는 수치해석 모델을 이용하여 보강된 원형 스파의 파손 진행 과정을 모사하였다. Fig.
본 연구에서는 상용 유한요소해석 프로그램인 LSDyna를 이용하여 해석을 수행하였다. 실험을 모사하기 위해 해석 모델을 이용하여 4점 굽힘 조건에 대한 해석을 수행하였다.
비대칭으로 보강된 복합재 원형 튜브의 파손은 처음에는 단면이 타원형으로 변한후 압축을 받는 부분에 국부좌굴이 발생하고 최종적으로는 재료의 압축파손 및 층간분리가 발생한다. 본 연구에서는 최대 허용 굽힘 모멘트를 증가시키기 위해 원형 스파(Spar)를 비대칭 형상 으로 보강하였다. 비대칭으로 보강한 이유는 복합재의 압축강도가 인장강도에 비해 작기 때문에 압축을 받는 부위가 파손 및 국부 좌굴현상이 발생하는 것을 방지하여 전체적인 좌굴강도를 증가시키기 위함이다.
본 연구에서는 상용 유한요소해석 프로그램인 LSDyna를 이용하여 해석을 수행하였다. 실험을 모사하기 위해 해석 모델을 이용하여 4점 굽힘 조건에 대한 해석을 수행하였다. 원형 튜브의 최대 허용 굽힘 모멘트를 해석하기 위해 점진적 파손 및 좌굴 후 거동 해석을 수행하였다.
Ibrahim[5]은 측면 하중을 받는 복합재 원형 튜브로 된 외팔보의 거동을 연구하였다. 여러 가지 적층패턴과 기하학적인 변수가 비선형적인 거동에 주는 영향을 검토하였다. Tang 등[6]은 굽힘 하중을 받는 실린더 쉘의 좌굴거 동을 연구하였다.
원형 스파의 보강부위가 주는 영향을 평가하기 위해 굽힘 시험을 수행하였다. 시험을 위해서 INSTRAN 시험기를 이용하였다.
실험을 모사하기 위해 해석 모델을 이용하여 4점 굽힘 조건에 대한 해석을 수행하였다. 원형 튜브의 최대 허용 굽힘 모멘트를 해석하기 위해 점진적 파손 및 좌굴 후 거동 해석을 수행하였다. 적층판을 모사하기 위해 사각형 쉘(Shell)요소를 사용하고 재료모델은 선형 탄성 모델인 MAT54를 사용하였다.
원형 복합재 스파의 굽힘 거동을 예측하기 위해 유한요소 모델을 이용하였다. 이 모델에서는 재료와 기하학적 비선형 및 파손의 영향을 고려하였다. 이 수치해석 모델은 최대 허용 굽힘 모멘트를 잘 예측하며 단면이 타원형으로 변형이 되며 파손되는 것을 실험결과와 유사하게 모사하는 것을 알 수 있었다.

대상 데이터

시험에 사용된 시편은 오토클레이브(Autoclave)를이용하여 제작하였다. Table 1은 시편 제작에 사용된 UD(Unidirectional) 탄소 복합재 라미나(Lamina)의물성이다. Table 2에는 스파의 치수와 적층 패턴을 표시하였다.
한국항공우주연구원에서 최근 개발한 고고도 장치 체공 무인기는 탄소섬유 복합재를 주구조물(Primary structure)에 사용하였다. 본 연구에서는 원형 복합재 튜브(Tube)를 스파(Spar) 구조 물에 적용하였다. 장기체공 무인기의 경량 설계를 위하여 날개의 스킨(Skin)이 하중을 담당하지 않도록 마일러(Mylar) 소재를 사용하는 경우가 많다.
Table 2에는 스파의 치수와 적층 패턴을 표시하였다. 시편 제작은 원형의 알루미늄환봉을 이용하여 제작한다. 환봉의 외부에 라미나를 감아서 base spar를 만들고 난 후에 길이 방향으로 spar cap 부분을 적층하였다.
시험에 사용된 시편은 오토클레이브(Autoclave)를이용하여 제작하였다. Table 1은 시편 제작에 사용된 UD(Unidirectional) 탄소 복합재 라미나(Lamina)의물성이다.
원형 스파의 보강부위가 주는 영향을 평가하기 위해 굽힘 시험을 수행하였다. 시험을 위해서 INSTRAN 시험기를 이용하였다. 시험은 4점 굽힘 시험을 수행하 였다.
원형 튜브의 최대 허용 굽힘 모멘트를 해석하기 위해 점진적 파손 및 좌굴 후 거동 해석을 수행하였다. 적층판을 모사하기 위해 사각형 쉘(Shell)요소를 사용하고 재료모델은 선형 탄성 모델인 MAT54를 사용하였다. 재료 수준의 파손은 Chang/Chang[10] 파손이론을 적용하였다.
최근 개발이 추진되고 있는 전기동력 고고도 장기 체공 무인기는 비행체의 특성상 구조물의 경량화 설계기술이 요구된다[1]. 한국항공우주연구원에서 최근 개발한 고고도 장치 체공 무인기는 탄소섬유 복합재를 주구조물(Primary structure)에 사용하였다. 본 연구에서는 원형 복합재 튜브(Tube)를 스파(Spar) 구조 물에 적용하였다.

이론/모형

실험결과로부터 비대칭으로 보강된 스파 캡의 두께가 두꺼워 질수록 최대 허용 굽힘 하중이 증가하는 것을 알 수 있었다. 원형 복합재 스파의 굽힘 거동을 예측하기 위해 유한요소 모델을 이용하였다. 이 모델에서는 재료와 기하학적 비선형 및 파손의 영향을 고려하였다.
적층판을 모사하기 위해 사각형 쉘(Shell)요소를 사용하고 재료모델은 선형 탄성 모델인 MAT54를 사용하였다. 재료 수준의 파손은 Chang/Chang[10] 파손이론을 적용하였다. 본 논문에 서는 수치해석 모델을 이용하여 보강된 원형 스파의 파손 진행 과정을 모사하였다.
본 논문에서는 비대칭으로 보강된 원형 복합재 스파의 굽힘 강도를 실험과 해석적인 방법으로 검토하 였다. 해석은 수정된 Brazier 식과 수치해석적인 모델을 이용하였다.

성능/효과

이 수치해석 모델은 최대 허용 굽힘 모멘트를 잘 예측하며 단면이 타원형으로 변형이 되며 파손되는 것을 실험결과와 유사하게 모사하는 것을 알 수 있었다. 또한 수정된 Brazier 식을 이용한 이론적인 식도 비대칭으로 보강된 원형스파의 최대 허용 굽힘 모멘트를 ±10% 수준에서 예측하는 것을 보였다. 즉 본 연구에서 제안한 수치해석 모델과 이론식은 실험결과와 잘 일치하므로 비대칭으로 보강된 원형 스파의 설계 시 적절하게 이용될 수 있다고 판단된다.
4점 굽힘 실험(Four point bending test)을 수행하여 보강된 스파 캡이 최대 허용 굽힘 모멘트에 주는 영향을 검토하였다. 실험결과로부터 비대칭으로 보강된 스파 캡의 두께가 두꺼워 질수록 최대 허용 굽힘 하중이 증가하는 것을 알 수 있었다. 원형 복합재 스파의 굽힘 거동을 예측하기 위해 유한요소 모델을 이용하였다.
실험결과로부터 비대칭으로 보강된 원형 스파의 굽힘 강도가 증가하는 것을 알 수 있었다. 4점 굽힘 실험 결과를 Table 3에 정리하였다.
식 (2)는 보강된 원형 스파와 보강이 되지 않은 스파의 최대 굽힘 하중의 비(Ratio)를 의미한다. 실험결과로부터 스파 캡의 두께가 증가할수록 최대 굽힘 하중이 증가하는 것을 알 수 있다.
이 모델에서는 재료와 기하학적 비선형 및 파손의 영향을 고려하였다. 이 수치해석 모델은 최대 허용 굽힘 모멘트를 잘 예측하며 단면이 타원형으로 변형이 되며 파손되는 것을 실험결과와 유사하게 모사하는 것을 알 수 있었다. 또한 수정된 Brazier 식을 이용한 이론적인 식도 비대칭으로 보강된 원형스파의 최대 허용 굽힘 모멘트를 ±10% 수준에서 예측하는 것을 보였다.
비대칭으로 보강된 원형 스파의 파손은 좌굴, 비선형성 및 재료의 파손 등이 복합적으로 연관되어 매우 복잡하다. 해석 결과로부터 수치해석 모델은 보강된 원형 스파의 임계하중을 적절히 예측할 수 있음을 보여준다.

후속연구

또한 수정된 Brazier 식을 이용한 이론적인 식도 비대칭으로 보강된 원형스파의 최대 허용 굽힘 모멘트를 ±10% 수준에서 예측하는 것을 보였다. 즉 본 연구에서 제안한 수치해석 모델과 이론식은 실험결과와 잘 일치하므로 비대칭으로 보강된 원형 스파의 설계 시 적절하게 이용될 수 있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Brazier 효과란 무엇인가	Brazier 효과는 굽힘 하중이 작용하는 경우 원형 단면이 타원형으로 변하는 비선형적인 거동을 보이는 현상이다. 박막의 원형 튜브가 굽힘 하중을 받는 경우 단면이 평편해지면서 파손이 된다.
	장기체공 무인기의 경량 설계를 위해 날개의 스킨이 하중을 담당하지 않도록 마일러 소재를 사용하는 경우 스파는 어떠한 하중을 견뎌야 하는가	장기체공 무인기의 경량 설계를 위하여 날개의 스킨(Skin)이 하중을 담당하지 않도록 마일러(Mylar) 소재를 사용하는 경우가 많다. 이러한 경우 스파는 날개에 작용하는 전단, 굽힘 및 비틀림 하중을 감당하여야 한다. 따라서 원형 스파를 적용하는 것이 구조적으로 유리하다.
	섬유강화 복합재료가 항공기 등의 주요 구조물에 사용되는 이유는 무엇인가	섬유강화 복합재료는 우수한 기계적 특성과 재료의 이방성 등을 이용한 최적화 설계를 적용할 수 있으므로 항공기 등의 주요 구조물에 사용되고 있다. 최근 개발이 추진되고 있는 전기동력 고고도 장기 체공 무인기는 비행체의 특성상 구조물의 경량화 설계기술이 요구된다[1].

참고문헌 (10)

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Tang, S. C., Chu, C. C. and Yeung, K. S., "Collapse of long, noncircular, cylindrical shells under pure bending," Computer and Structures, Vol. 21, 1985, pp. 1345-1353.

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Kim, S. J., Shin, J. W., Kim, H., Kim, T. and Kim, S., "The modified Brazier approach to predict the collapse load of a stiffened circular composite spar under bending load," Aerospace Science and Technology, Vol. 55, 2016, pp. 474-481.

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Chang, F. K. and Chang, A., "A progressive damage model for laminate composites containing stress concentrations," Journal of composite materials, Vol. 21, 1987, pp. 834-855.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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